Cours Fibre Optique + exercises

COURS SUR LA FIBRE OPTIQUE

Par Mohamed El Amine Djaker [email protected]

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INTRODUCTION ET DEFINITION Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit d'informations nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et supporte un réseau « large bande » par lequel peuvent transiter aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques. Le principe de la fibre optique a été développé dans les années 1970 dans les laboratoires de l'entreprise américaine Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated). Le signal lumineux codé par une variation d'intensité est capable de transmettre une grande quantité d'informations. En permettant les communications à très longue distance et à des débits élevés jusqu'alors impossibles, les fibres optiques ont constitué l'un des éléments clef de la révolution des télécommunications.

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L’utilisation de la FO est devenu possible grâce à :  Amélioration de la transparence des verres  Sources et récepteurs plus évolués grâce à la technologie des

semi-conducteurs Taux d'impuretés

Atténuation (dB/km)

1% d'énergie transmise sur

Bouteilles

10-2

2.106

1 cm

Vitres

10-3

2.105

10 cm

Lunettes

10-4

2.104

1m

Fibres de verre

10-7

20

1 km

Fibres de silice

10-9

0.2

100 km

Type de verre

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Avantages de la FO 1.

Insensibilité aux perturbations électromagnétiques Verre = isolant (isolation galvanique)

2.

Sécurité électromagnétique

3.

Bande passante élevée

4.

Atténuation linéique faible (0.2 dB/km contre15dB/km pour un câble réseau cat5e)

5.

Economie de taille et de poids

6.

Abondance de la matière première (silice)

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Historique

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La première démonstration scientifique du principe de la réflexion totale interne fut faite par les physiciens français Jean-Daniel Colladon et Jacques Babinet à Paris au début des années 1840. L'irlandais John Tyndall répéta l'expérience devant la Société Royale Britannique en 1854. À l'époque, l'idée de courber la trajectoire de la lumière, de quelque façon que ce soit, était révolutionnaire puisque les scientifiques considéraient que la lumière voyageait uniquement en ligne droite. 6

On doit la première tentative de communication optique à Alexander Graham Bell avec l'invention du Photophone en 1880

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En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif d'images de télévision à l'aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années plus tard, en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe électrique grâce à un assemblage rudimentaire de fibres de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application. La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par van Heel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l'intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d'avion. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donnée la piètre qualité des fibres utilisées. En 1957, le fibroscope (endoscope flexible médical) est inventé par Basil Hirschowitz aux États-Unis. 8

Les télécommunications par fibre optique restèrent impossibles jusqu'à l'invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet la possibilité de transmettre un signal sans pertes sur une grande distance. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique. Cependant, les pertes dans cette fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimètres, non par perte de lumière, mais parce que les différents chemins de réflexion du signal contre les parois finissaient par en faire perdre la phase. Cela la rendait encore peu avantageuse par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les pertes de phase entrainées par l'usage d'une fibre de verre homogène constituaient le principal obstacle à l'utilisation courante de la fibre optique. En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 décibels par kilomètre ; aujourd'hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de 0,25 décibel par kilomètre pour la longueur d'onde 1 550 nm. utilisée dans les télécommunications). Leur fibre optique était en mesure de transporter 65 000 fois plus d'informations qu'un simple câble de cuivre. Le premier système de communication téléphonique optique fut installé au centre-ville de Chicago en 1977. 9

Notions théoriques

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La lumière La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). La lumière est intimement liée à la notion de couleur. Outre la lumière visible, par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet.

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Monochromatisme et polychromatisme La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques. De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa phase. La longueur d'onde correspond à la couleur de la lumière. Ainsi, une lumière constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même phase, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

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longueur d’onde Une onde est un phénomène physique se propageant et qui se reproduit identique à lui-même un peu plus tard dans le temps et un peu plus loin dans l’espace. On peut alors définir la longueur d’onde comme étant la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné.

On la dénote communément par la lettre grecque λ (lambda). La longueur d’onde est l’équivalent spatial de la période temporelle. En effet, la longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période. Si on appelle c la célérité de l’onde et T sa période temporelle, on a : λ =c T Dans le vide, la longueur d’onde est notée λ0 . On a alors, dans un milieu d’indice n, la relation : λ0=n λ

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Le spectre électromagnétique Longueur d’onde (dans le vide)

Domaine

Fréquence

> à 0,1 mm radio

(Wifi, téléphones portables, radar, etc.)

inférieure à 3 THz

micro-onde

de 1 GHz à 300 GHz

de 1 mm à 30 cm

de 1 µm à 500 µm

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Commentaire

inclue dans les ondes radio

infrarouge norme NF/en 1836 rouge (620-780 nm) orange (592-620 nm) jaune (578-592 nm) vert (500-578 nm) bleu (446-500 nm) violet (380-446 nm)

de 380 nm à 780 nm

lumière visible

de 100 nm à 380 nm de 10-8 m à 10-7 m

ultraviolet

De 750 THz à 30 PHz

de 10-11 m à 10-8 m

rayon X

de 30 PHz à 30 Ehz

< à 5x10-12 m

rayon γ (gamma)

supérieure à 30 EHz

Préfix

1000m

Symbol

10n

yotta

Y

10008

1024

zetta

Z

10007

1021

exa

E

10006

1018

peta

P

10005

1015

tera

T

10004

1012

giga

G

10003

109

mega

M

10002

106

kilo

k

10001

103

hecto

h

10002/3

102

deca

da

10001/3

101

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Le Laser Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement lumineux) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by stimulated emission of radiation » (en français : « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement »). Le laser produit une lumière spatialement et temporellement cohérente basée sur l'effet laser.

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Principe de fonctionnement Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les « couches »). On considère que les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques. On considérera aussi un atome ne possédant qu'un électron (hydrogène), pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier n, pouvant prendre les valeurs 1, 2, ... L'état n = 1 est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau. Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée. L’absorption : Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état n à un état n' > n, en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie ) faisant passer l'atome du niveau d'énergie En vers le niveau d'énergie En. L’émission stimulée: Ce processus est le symétrique du précédent : un atome dans l'état n' peut se « désexciter » vers le niveau n sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors amplifiée. On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie qui vient s'« ajouter » au rayonnement. L’émission spontanée: Un atome dans un état excité n' peut se désexciter vers un état n, même en l'absence de rayonnement. Le rayonnement est émis dans une direction aléatoire. On peut interpréter ce processus comme l'émission d'un photon d'énergie dans une direction aléatoire. 17

Un laser est fondamentalement un amplificateur de lumière (fonctionnant grâce à l'émission stimulée) dont la sortie est branchée sur l'entrée. L'amplificateur est un ensemble d'atomes ou molécules que l'on fait passer d'un état fondamental ou faiblement excité n à un état plus fortement excité n' (plus énergétique - on parle de « pompage »), au moyen d'une source d'énergie extérieure (par exemple un générateur électrique, ou un autre laser...). Ces atomes peuvent alors se désexciter vers l'état n, en émettant des photons. Ainsi un rayonnement de fréquence passant à travers ce milieu peut être amplifié par des processus d'émission stimulée. Le rayonnement sortant de cet amplificateur est rebouclé sur son entrée au moyen de miroirs, qui constituent une « cavité » (où la lumière est piégée). Bien sûr, un dispositif (comme un miroir partiellement réfléchissant) permet d'extraire de la lumière de ce système, pour obtenir le rayonnement laser utilisable. Ainsi un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois, puis rebouclé, puis réamplifié, etc. On peut ainsi construire un rayonnement extrêmement important, même à partir d'un rayonnement extrêmement faible (comme un seul photon émis spontanément dans la cavité). On peut comparer ce processus à l'effet Larsen, qui se produit lorsqu'un amplificateur (la chaîne HiFi) a sa sortie (le haut-parleur) « branchée » sur l'entrée (le micro). 18

Laser rubis

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Diode La diode est un composant électronique qui laisse passer le courant dans un sens et pas dans l’autre. Le sens de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du circuit électronique. Une diode est constituée d'une plaquette de silicium dans laquelle deux zones de dopages, appelés dopage P et dopage N, ont été réalisées.

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Les diodes LED Une diode électroluminescente, abrégée sous les sigles DEL ou LED (de l'anglais light-emitting diode), est un composant opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Elle compte plusieurs dérivées, principalement, l'OLED, l'AMOLED ou le FOLED (pour flexible oled). Les LED sont considérées, par beaucoup, comme une technologie d'avenir dans le domaine de l'éclairage général. En effet, on estime que d'ici à 2020, les LED pourraient représenter 75 % du marché de l'éclairage. Elles sont utilisées aussi dans la construction des écrans de télévision plats, pour le rétroéclairage des LCD, comme source d'illumination principale dans les écrans de télévision à LED. 21

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Diode laser Une diode laser est un composant opto-électronique à base de matériaux semi-conducteurs. Elle émet de la lumière monochromatique cohérente destinée, entre autres, à transporter un signal contenant des informations (dans le cas d'un système de télécommunications) ou à apporter de l'énergie lumineuse pour le pompage de certains lasers et amplificateurs optique.

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caractéristiques de la diode laser Ses caractéristiques sont proches de celles des lasers conventionnels.

Les avantages sont sa compacité, sa facilité de modulation à des fréquences élevées, ses faibles tensions de service et puissance consommée grâce à des rendements de l'ordre de 30% au lieu de 3% pour les autres types de laser.

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Applications Les Diodes laser sont numériquement les plus courantes type de laser, avec des ventes en 2004 d'environ 733 millions de diodes lasers, beaucoup plus que des 131000 d'autres types de lasers. Ces diodes laser sont largement utilisées dans les télécommunications car ils sont facilement modulées et deviennent des sources lumineuses couplées pour des fibres optiques de communication. Elles sont utilisés dans divers instruments de mesure, par exemple, les télémètres. Un autre usage est en lecteur de code-barres ou comme les pointeurs laser. Des diodes laser infrarouge et rouge sont courantes dans les lecteurs de CD, CD-ROM et la technologie DVD. Des diodes laser de couleur violette sont utilisés en HD DVD et la technologie Blu-ray. Des diodes laser de haute puissance sont utilisées dans des applications industrielles telles que le traitement thermique, le plaquage, le soudage et pour le pompage d'autres lasers. 25

Notions d’optique geometrique Loi de Snell-Descart sur la réflexion: Ө1=- Ө2

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Loi de Snell-Descart sur la réfraction: n1 sin(Ө1)=n2 sin(Ө2) n=c/v C: vitesse de la lumière dans le milieu V : vitesse de la lumière dans le vide

Le rayon lumineux est dit incident avant d'avoir rencontré la surface réfractante (appelée dioptre) il est dit réfracté après. Exemples des indices de réfraction: air = 1, eau = 1.33, éthanol = 1.36 27

Il existe un angle d'incidence limite tel que n1 sin(Ө1max)=n2 sin(90°), cette notion d'angle limite intervient surtout dans le phénomène de fibre optique. Lorsqu'un rayon pénètre dans un milieu moins dense (n1 > n2), l'angle de déviation par rapport à la perpendiculaire augmente avec l'angle d'incidence, il existe un angle d'incidence, appelé angle limite, pour lequel le rayon réfracté forme un angle de 90° avec la normale à la surface de séparation des milieux. Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle limite, les rayons lumineux sont totalement réfléchis. La réflexion totale est impossible lorsque la lumière passe d'un milieu moins dense à un milieu plus dense(n1 < n2). Les fibres optiques utilisent le phénomène de la réflexion totale : la lumière pénètre par une extrémité dans un tube de verre ou de plastique. À l'intérieur de ce dispositif, la lumière se propage par réflexions successives sur la surface intérieure du tube, puis sort par l'autre extrémité. 28

FABRICATION DE LA FIBRE OPTIQUE

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La fabrication des fibres se déroule en trois étapes qui sont la réalisation de la préforme, le retreint, et le tirage. 

La Préforme :

Dans cette étape, on augmente l’indice de réfraction du cœur de la fibre en la dopant avec des matériaux appropriés. La préforme est constituée d’un barreau creux de silice pure dans lequel on fait passer des dopants à l’état gazeux. On chauffe le tube de façon à déposer le dopant en couches successives.

On utilise en particulier le germanium pour augmenter l'indice. Il existe différents procédés pour obtenir ce barreau : dépôt de couches dans un tube de quartz (CVD), dépôt externe autour d'un mandrin (OVPO), dépôt axial (VAD). Tous font appel à des réactions en phase vapeur, ce qui permet d'obtenir un matériau très pur. Les dopants sont injectés sous forme de chlorures (gazeux) dans le tube, oxydés au passage du chalumeau, et les suies se déposent en aval du chalumeau. 

Le Retreint :

On fait ensuite fondre la silice en la chauffant pour refermer le barreau de silicone.

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 Le tirage : Le barreau ainsi obtenu sera installé verticalement dans une tour située au premier étage et chauffé par des rampes à gaz. Le verre va s'étirer et "couler" en direction du rez pour être enroulé sur une bobine. Un barreau de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur de 150 km environ! On mesure l'épaisseur de la fibre (~10um) pour asservir la vitesse du moteur de l'enrouleur, afin d'assurer un diamètre constant.

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32



Chaque bobine de fibre fait l'objet d'un contrôle de qualité effectué au microscope.



Puis on va enrober le verre d'un revêtement de protection (~230 um) et assembler les fibres pour obtenir le câble final à un ou plusieurs brins.

Anatomie d’une fibre Couche protectrice

gaine Cœur (1/100e mm) 33

DIFFÉRENTS MODÈLES DE FIBRE OPTIQUE

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Conditions de propagation

Condition de guidage dans le cœur : n1>n2 et Ө1>arcsin(n2/n1)

Sinon le rayon est réfracté dans la gaine de la fibre 35

Angle d’incidence maximal à l’entrée de la fibre

L’ouverture du cône d’acceptance, appelée ouverture numérique ON : ON = sin αmax = n1 sin (π/2-Ө1lim) 36

Fibre Multimode à saut d'indice La fibre multimode à saut d'indice est la fibre la plus ordinaire. C'est ce type de fibre qui est utilisé dans les réseaux locaux de type LAN. Etant donné que la fibre à saut d'indice est multimode, il existe plusieurs modes de propagation de la lumière au sein de son cœur de silice.

Il existe dans cette fibre une très grande variation entre l'indice de réfraction du cœur et de la gaine optique. C'est pour cela que les rayons lumineux se propagent par réflexion totale interne en "dent de scie". La fibre à saut d'indice possède un cœur très large. L'atténuation sur ce type de fibre est très importante comme on peut le voir sur la différence des impulsions d'entrée et de sortie. Débit: quelques Gbit/s Portée maximale: quelques Km Affaiblissement: 10 dB/Km 37

Fibre Multimode à gradient d'indice La fibre multimode à gradient d'indice est elle aussi utilisée dans les réseaux locaux. C'est une fibre multimode, donc plusieurs modes de propagation coexistent. A la différence de la fibre à saut d'indice, il n'y a pas de grande différence d'indice de réfraction entre cœur et gaine. Cependant, le cœur des fibres à gradient d'indice est constitué de plusieurs couches de matière ayant un indice de réfraction de plus en plus élevé. Ces différentes couches de silice de densités multiples influent sur la direction des rayons lumineux, qui ont une forme elliptique.

La fibre à gradient d'indice possède un cœur de taille intermédiaire. L'atténuation sur ce type de fibre est moins importante que sur les fibres à saut d'indice. Débit: dizaines de Gbit/s Portée maximale: dizaines de Km Affaiblissement: 10 dB/Km

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Fibre Monomode La fibre monomode est la meilleure fibre existante à l'heure actuelle. C'est ce type de fibre qui est utilisé dans les cœurs de réseaux mondiaux. Un seul mode de propagation de la lumière existe : c'est le mode en ligne droite.

La fibre monomode possède un cœur très fin, de la taille d'un cheveux ! L'atténuation sur ce type de fibre est quasi nulle, c'est ce qui fait sa force. Débit: centaines de Gbit/s Portée maximale: dizaines à centaines de Km Affaiblissement: 0,5 dB/Km 39

Récapitulatif

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EXERCICES

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 Quels sont les principaux avantages de la fibre optique?  Quelle est la différence entre une lumière monochromatique et une    

lumière polychromatique? Définissez chaque élément de la formule suivante λ =c T Completez la Loi de Snell-Descart sur la réfraction: n1 sin(Ө1)=……… Il y a possibilité de reflexion total si n1> n2 ou bien n1< n2? n1=2 et n2=1, calculer l’angle limite de la réfraction Ө1

 Quelle est la différence entre une fibre monomode et une fibre multimode?  Quelle est la différence entre une fibre à saut d’indice et une fibre à 42

gradient d’indice?

L'ATTÉNUATION

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Différents types d'atténuation Type de perte Absorption

Explications Perturbation du photon de lumière par un électron d'un atome d'impureté

Diffusion

Variation locale de l'indice de réfraction du coeur de la fibre Changements de densité ou de composition dans la matière

Courbures

Torsion dans la fibre Non respect du principe de réflexion totale interne

Dispersion chromatique

Variation de la vitesse des signaux lumineux de longueurs d'onde différentes

Dispersion intermodale

Phénomène appliquable uniquement aux fibres multimodes. Variation en temps de la propagation des signaux lumineux empruntant des modes différents.

Pertes de connectique

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Séparation longitudinale Désalignement radial/angulaire Excentricité/ellipticité des cœurs

Remarque Il est utile de noter que la dispersion chromatique intervient uniquement dans le cas où on utilise différentes radiations lumineuses au sein d'une même fibre. Typiquement, lors du multiplexage WDM, on va faire passer sur une même fibre, plusieurs longueurs d'onde (de couleurs différentes). On aura donc une dispersion chromatique du fait de la différence de vitesse de propagation des signaux de longueurs d'onde différentes.

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L'atténuation en fonction de la fréquence

L'atténuation est constante quelle que soit la fréquence Seule la dispersion lumineuse limite la largeur de la bande passante.

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MODULATION

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Pourquoi moduler le signal ? La modulation du signal au sein de la fibre optique est essentielle. En effet, cela permet deux choses : •Générer l'information binaire à partir d'un signal physique. •Traduire l'information binaire en niveau de puissance du signal lumineux. Le procédé de modulation peut être de 2 types différents, à savoir le type direct, et le type externe. 48

La modulation directe La modulation directe peut être assimilée à une technique de modulation de type "classique". En effet, on va ici moduler directement le courant injecté en entrée de la diode. A la suite de cette modulation de courant, l'intensité de la lumière produise par la diode sera affectée. Plus le courant reçu par la diode est important, plus l'intensité lumineuse qu'elle délivrera sera puissante. Cependant, cette méthode de modulation comporte un inconvénient majeur. La modulation d'amplitude du courant affecte en effet la fréquence du signal émis. C'est pour cette raison qu'en général elle n'est plus très utilisée, au profit de la modulation externe.

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La modulation externe La modulation externe est elle légèrement plus subtile. En effet, ici le courant injecté à la diode restera constant, mais on va utiliser un modulateur externe afin de parvenir à moduler le signal lumineux. Le principe de fonctionnement est le suivant : En fonction du signal de modulation, •Un champ électrique est généré et influe sur l'indice de réfraction du modulateur externe. •Une puissance constructive est créée, cela provoque la disponibilité de la puissance optique •Une puissance destructive est créée, cela provoque alors une absence d'émission de lumière. 50

Le multiplexage en temps (TDM) Le TDM (Time Division Multiplexing) consiste à découper la bande passante de la fibre optique en unités de temps, que vont se partager les différentes communications. Cela permet donc à un émetteur de transmettre plusieurs canaux numériques élémentaires à faible débit sur un même support de communication à plus haut débit.

Les informations importantes à retenir : •Répartition du temps d'utilisation entre les communications •Chaque signal est commuté à tour de rôle à grande fréquence

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Le multiplexage en longueur d'onde (WDM) Le WDM (Wavelength Division Multiplexing) consiste à mélanger plusieurs signaux optiques sur une même fibre optique afin de multiplier la bande passante de celle-ci. Les signaux sont portés par des longueurs d'ondes différentes, et espacées assez largement afin de ne pas interférer les unes avec les autres. Ce procédé nécessite l'utilisation de matériel spécifique, en entrée : un multiplexeur; et en sortie : un démultiplexeur.

Les informations importantes à retenir : •Allouer des fractions de la bande passante à chaque communication •Répartir les signaux dans un espace de fréquences (longueur d'onde)

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Différents types de WDM existent : Coarse-WDM, Dense-WDM, UltraDense-WDM... La différence entre les modes réside principalement dans l'espacement des canaux optiques utilisés. Voici un tableau détaillant les caractéristiques des modes WDM les plus répandus : Coarse-WDM

Dense-WDM

Ultra-Dense-WDM

Nombre de longueur d'onde

Jusqu'à 16

8 à 128

> 400

Espacement des canaux

20nm à 25nm

0.4nm à 1.6nm

0.08nm

Fenêtre spectrale

~ 1260nm - 1620nm

~ 1500nm - 1600nm

~ 1500nm - 1600nm

Débit par longueur d'onde

1,25 - 2,5 Gbit/s

10Gbit/s - 40Gbit/s

> 40Gbit/s

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Cas d’utilisation de la WDM

1.Différentes longueurs d'onde sont multiplexées sur une fibre de type monomode. 2.Le signal est amplifié tous les 100 Km, remis en forme après plusieurs centaines de Km. 3.Le démultiplexeur sépare les différentes longueurs d'onde. On peut noter ici que l'on est en présence de plusieurs LASER émettant des radiations de longueurs d'onde différentes. Par analogie, nous disposons en sortie de plusieurs photodiodes capables de détecter les radiations lumineuses concernées. Il est à noter que ce type de configuration est celle utilisée actuellement dans les réseaux de type backbone. Les liaisons optiques sont réalisées sur des distances de l'ordre de 5000 Km en général. Les amplificateurs optiques, permettant de regénérer le signal, sont eux disposés tous les ~ 100 Km.

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LA DÉTECTION

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Comme il y a plusieurs méthodes pour envoyer l'information sur le media lumineux, il y a donc aussi différentes techniques pour la récupérer. Le photodétecteur (photodiode PIN ou avalanche) est toujours nécessaire pour convertir le signal optique en électrique.

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Photodiode PIN La photodiode est un composant semi-conducteur de l’optoélectronique. Elle est utilisée comme photodétecteur dans de nombreuses applications industrielles. Sa particularité vient de sa jonction composée d’une zone intrinsèque intercalée entre une région fortement dopée P et une autre fortement dopée N. Lorsqu’un photon, d’énergie suffisante, pénètre dans la zone de charge d’espace d’une jonction PN, il génère, du fait de son absorption, une paire électron/trou. Cette dernière est alors dissociée sous l’action du champ E et chacun de ces photoporteurs est propulsé vers la région dans laquelle il sera majoritaire. Le déplacement de ces porteurs est à l’origine du photocourant. 58

Photodiode à effet d'avalanche L'effet d'avalanche peut se produire à l'intérieur de semi-conducteurs lorsque le champ électrique à l'intérieur du matériau est suffisamment important pour accélérer les électrons jusqu'au point où, lorsqu'ils percutent des atomes, ils libèrent d'autres électrons : le nombre d'électrons libres augmente alors rapidement car les nouveaux électrons libres en entraînent à nouveau d'autres, dans un phénomène comparable à celui d'une avalanche neigeuse. Ce phénomène est utilisé dans certains composants électroniques comme la diode Zener, des photodiodes et des transistors à effet d'avalanche, ainsi que dans certains tubes à gaz. 59

LES ÉQUIPEMENTS

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Différents types d'équipements Les composants des réseaux optiques se décomposent en 2 catégories: actif et passif. Voici quelques exemples de ces composants : •Composants actifs ◦Amplificateurs : Ils amplifient les signaux optiques sans les transformer en électricité. Un amplificateur à fibre dopée fonctionne à la manière d'un laser. Une portion de fibre optique est dopée et est pompée optiquement avec un laser afin de placer les ions de dopage dans un état excité. Lorsqu'un signal lumineux passe à travers ce morceau de fibre optique, il désexcite les ions par effet laser en produisant un photon en tout point identique au photon incident. Le signal lumineux a donc été doublé.

Par effet d'avalanche, l'amplification du signal se fait jusqu'à la sortie de la section dopée de la fibre optique

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◦Modulateur : Ils permettent la modulation externe de sources lumineuses continues. ◦Filtres : Ils sélectionnent une longueur d'onde déterminée sur une bande de longueur d'onde. Composants passifs ◦Extracteur/Isolateur de longueur d'onde (Add/Drop) : Extraire ou insérer une longueur d'onde spécifique à l'aide d'un OADM ou d'un réseau de Bragg. ◦Coupleurs : Distribuer le signal optique reçu sur plusieurs fibres. C'est une sorte d'embranchement multifibres qui peut concentrer ou diviser la puissance lumineuse. ◦Connecteurs : Assurer le branchement final des fibres sur les équipements.

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◦Multiplexeur WDM : Multiplexer plusieurs longueurs d'onde sur une même fibre optique.

◦Atténuateur optique : Niveler les lignes de transmission optiques. Empêcher que trop de lumière arrive sur les photodiodes. 63

Connecteurs Les connecteurs fibre optique sont des dispositifs normalisés terminant une fibre optique et permettant de les raccorder aux équipements terminaux comme les switchs, les contrôleurs disques ou les librairies de sauvegarde dans un Réseau de stockage SAN, ou divers équipements utilisant la fibre optique. Le domaine des connecteurs fibre comporte de très nombreux connecteurs différents, plus de 100 connecteurs différents existent ou ont existé sur le marché mais seul un petit nombre d'entre eux est utilisé de façon significative. La plupart des connecteurs sont normalisés par la Commission électrotechnique internationale (IEC). Certains connecteurs comme le TOSLINK peuvent être utilisés dans le domaine de l'audio-numérique.

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Nom

Norme

Type

DIN LSA

IEC 61754-3

Obsolète

EC

IEC 1754-8

Telecom

FC

IEC 61754-13

Telecom

ESCON

Remarque

Mainframe IBM et compatible

ST

IEC 61754-2

LX5

IEC 61754-23

LC

IEC 61754-20

baïonnette

Développé par AT&T rarement utilisé

Snap

Lucent Connector Media Interface Connector (FDDI)

MIC MU

IEC 61754-6

Utilisé au Japon

SC

IEC 61754-4

très utilisé

MTRJ

IEC 61754-18

Media Termination Recommended Jack

SMA 905

Lasers industriels

TOSLINK

Audio numérique

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Le connecteur ST est un connecteur rond à Baïonnette (comme une mini BNC), - Le connecteur SC est un connecteur carré en plastique, il existe aussi en version Duplex (2 Fibres Optiques). On le retrouve souvent dans des installations réseau IP et plutôt dans sa version bifibre (1 port IP nécessitant 2 brins optiques le signal IP étant bidirectionnel), - Le connecteur LC est carré comme le SC, mais beaucoup plus petit (on le retrouve également en informatique),

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EXERCICES

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1. Expliquez les types de pertes suivants: Absorption,

Diffusion, Courbures, Dispersion chromatique, Dispersion intermodale. 2. L'atténuation varie t-elle en fonction de la

fréquence? 3. Quelle est la différence entre Le multiplexage en

temps (TDM) et le multiplexage en longueur d'onde (WDM)? 4. Expliquez l’effet d’avalanche dans une photodiode. 5. Citez 2 types de connecteurs pour fibre optique. 68

Il y a plusieurs manières pour coupler de la fibre optique:  Le couplage mécanique de deux connecteurs mis bout à bout au

moyen d'une pièce de précision. Le dessin de la prochaine diapositive montre l'union de deux connecteurs ST, mais il existe des coupleurs ST/SC ou ST/MIC.  Le raccordement par Splice mécanique qui est utilisé pour les

réparations à la suite de rupture ou pour raccorder une fibre et un connecteur déjà équipé de quelques centimètres de fibre que l'on peut acquérir dans le commerce(Pigtail).  La fusion au moyen d'un appareil à arc électrique Appelé fusionneuse. 69

Historiquement, le câblage optique est réalisé par collage. Le connecteur est monté directement sur la fibre optique et celle-ci est rendue solidaire par collage. Le savoir-faire réside dans les étapes de préparation (dénudage de la gaine 900μm, mise en place de la fibre optique dans le connecteur, encollage), de polissage et de nettoyage. Ces dernières permettent de limiter les pertes et surtout d’obtenir une réflectance favorable.

La performance du raccordement est également déterminée par la qualité du connecteur. En effet, si le connecteur est de bonne qualité, il permettra un bon centrage de la fibre et donc une perte (atténuation) plus faible lors de la connexion avec un autre connecteur optique. 70

les jarretières Le cordon (ou la jarretière) permet de faire la liaison, sur une courte distance, entre deux équipements. Il se caractérise par la présence de deux fiches (ou connecteurs) et d’une gaine renfermant la fibre optique.

Destiné à s’adapter à toutes les installations, un cordon se définit par le type de connecteurs souhaité, le type de fibre optique (monomode, multimode 62.5/125μm, 50/125μm, 50/125μm OM3) et sa longueur (de 0.5 m à 25m environ) 71

Le câble à fibre optique Le câble à fibre optique permet de conduire et de protéger la fibre optique d’un point du réseau à l’autre, en passant par des fourreaux, des chemins de câble pour arriver jusqu’aux baies ou aux coffrets muraux… Concevant ainsi le réseau, il permet le regroupement de 2 à 720 fibres, voire au-delà. Selon le type de protection et de gaine extérieure (PE (polyéthylène), LSZH (Low Smoke Zero Halogen)), il apporte des caractéristiques facilitant la pose (la résistance à la traction, la résistance à l’écrasement…) et s’adapte à l’environnement extérieur. Le câble se distingue selon 4 grandes familles : - Le câble optique breakout - Le câble optique distribution - Le câble optique tubé central - Le câble optique multitube - Le câble optique microgaine

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Le câble optique breakout Le câble breakout est utilisé à l’intérieur d’un bâtiment pour relier plusieurs baies. Il rassemble des câbles à jarretière, de 2 à 12 fibres optiques (éventuellement 24 fibres). Ainsi, il est employé lorsque l’utilisateur souhaite amener plusieurs fibres optiques d’un contenant A à un contenant B. Un seul passage est alors nécessaire. Le câble à fibre optique breakout est ainsi proposé majoritairement sous forme de câble préconnectorisé (le câblage est déjà effectué aux deux extrémités). Il présente ainsi tous les avantages d’un cordon (pas de raccordement à réaliser sur le terrain, câblage optique réalisé en usine)

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Le câble optique distribution Le câble distribution permet de réaliser des liaisons inter ou intra bâtiments. Il se compose d’un ensemble de fibres optiques surgainées en 900μm. De part sa structure, ce câble est moins onéreux qu’un câble optique breakout. Il est ainsi privilégié lorsque le raccordement est direct, c’est-à-dire que le câblage est réalisé par le montage de connecteur optique sur le terrain. Le câble distribution peut proposer une caractéristique anti-rongeur. Il peut intégrer de 2 à 24 fibres dont le repérage est spécifique à chaque constructeur.

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Le câble optique tubé central Le câble tubé central est le câble le plus utilisé pour les liaisons interbâtiments de faible capacité (maximum 24 fibres optiques monomodes et/ou multimodes). Afin d’optimiser son installation, ce câble à fibre optique se caractéristique par une faible section. Celle-ci est obtenue en intégrant des fibres optiques nues qui sont ensuite protégées par un tube et une gaine extérieure de type LSZH ou PE (dépendante de l’application). La graisse contenue dans le tube permet de protéger la fibre de l’humidité. Ce type de câble optique peut également offrir la caractéristique « antirongeur ».

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Le câble optique multitube Basé sur le principe du câble tubé central, le câble fibre optique multitube est destiné à des câbles de grosse capacité (au-delà de 24 fibres). Il se compose de plusieurs tubes qui englobent chacun 6 ou 12 fibres optiques nues.

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Le câble optique microgaine Le câble à fibre optique microgaine est similaire au câble à tubes (tubé central et multitubes). Il se compose de fibres nues qui sont recouvertes d’une peau et ensuite protégées par une gaine extérieure. Le câble microgaine est principalement utilisé pour des liaisons de forte capacité, donc sur des distances allant jusqu’à une centaine de kilomètres. Il offre les avantages suivants : - facilité de mise en place et de rangement - aucun outillage de préparation nécessaire - faible diamètre de courbure - faible section même pour des câbles à forte capacité

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Tiroirs optiques Les tiroirs sont destinés aux raccordements des câbles en vue d’assurer la distribution sur d’autres câbles ou sur des équipements actifs. Ces fonctions principales sont donc l’arrimage du câble, l’épissurage et le raccordement. Toutes ces fonctions peuvent être réparties sur différents contenants. Le tiroir existe en version coulissante, pivotante ou fixe selon les fonctionnalités et la facilité d’installation souhaitées. Il est utilisable dans une baie ou un coffret normalisé (en standard 19’’ ou ETSI) qui rassemblent plusieurs tiroirs et/ou des équipements passifs. Le tiroir se définit par : - Sa hauteur (nombre de U) - La connectique optique (SC, FC, LC…) - Le nombre de connexions - Le nombre de soudures Le tiroir peut être équipé : - D’un système d’arrimage pour le câble. Cela peut correspondre à l’emploi d’un presse étoupe, d’un collier Rilsan® ou d’un Serflex®. Afin de faciliter l’installation, le système d’arrimage peut être réalisé en bas de la baie 78

Pigtails. Les pigtails sont utilisés lors d’un raccordement par soudure. Ils permettent la jonction entre le raccord et le câble entrant. Un pigtail se compose d’une fiche (ou connecteur optique) et d’un câble d’un diamètre de 1 mm en standard (ce dernier intègre une fibre optique identique à celle du câble entrant). Les pigtails existent en version monochrome (en général jaune pour le monomode et orange pour le multimode, turquoise pour le 50/125μm OM3) ou en lot de 12 couleurs. D’une zone de lovage pour les pigtails.

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Cassettes ou organiseurs pour 12 ou 24 fibres optiques. La cassette permet une gestion du mou des fibres optiques issues du câble entrant, et du câble sortant ou des pigtails. Elle gère les soudures et la protection du raccordement. Elle peut contenir de 1 à 12 fibres optiques, voire 24. Pivotantes ou fixes, les cassettes peuvent être superposées afin d’assurer le raccordement d’un câble de plus forte capacité. Une cassette pour fibre optique a l’avantage de gérer une longueur de fibres importante (plusieurs dizaines de mètre). En effet, elle ne peut contenir que de la fibre optique nue (gainée en 250μm) puisque les tubes 1 mm des pigtails et les gaines de protection des câbles sont arrêtés à l’entrée de la cassette. La cassette intègre également une zone permettant la mise en place et l’identification des protections d’épissure (tube, en plastique renforcé, placé au niveau de la soudure afin de renforcer cette zone de fragilité et d’éviter la cassure de la fibre optique). L’ensemble du dispositif est protégé par un couvercle, généralement translucide, évitant les cassures intempestives. L’organiseur est utilisé lorsque les fibres optiques issues des câbles entrants et sortants (ou pigtails) sont gainés (au minimum en 1 mm). Il permet simplement de maintenir les protections d’épissures associées.

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RACCODEMENT

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Raccordement

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l’épissurage La technique de base utilisée pour l’épissurage est la soudure par arc électrique. L’épissurage mécanique ou l’utilisation des connecteurs sont utilisés seulement dans les terminaux. De nombreux modèles commerciaux de soudeuses existent sur le marché, elles se groupent en deux types principaux :  Les soudeuses passives : les fibres dénudées sont placées dans des «V» de positionnement fixes. La qualité dépend alors beaucoup :  De la précision du diamètre extérieur  De la concentricité cœur/fibre  Les soudeuses actives, où les «V» de positionnement sont mobiles et leur position ajustée pour optimiser le positionnement du cœur (en général par injection/détection) Dans les deux cas, la qualité de la soudure dépend beaucoup de la coupe, de la propreté de la fibre et de l’état de la soudeuse.

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Le raccordement par soudure intègre toujours la préparation du câble afin d’accéder aux fibres optiques et de permettre leur câblage. Il a pour principe de permettre la connexion de deux fibres en les fusionnant grâce à un arc électrique. Le principal équipement nécessaire est une soudeuse fibre optique et la cliveuse associée. Cette dernière permet de couper la fibre avec un angle précis de 90°. Cet outil est indispensable pour que les deux fibres à connecter aient un angle de coupure identique. La soudeuse fibre optique existe selon deux principes : - alignement cœur à cœur - alignement gaine à gaine L’alignement cœur à cœur est privilégié pour la fibre monomode. Il optimise en effet les pertes associées. L’alignement gaine à gaine est principalement utilisé pour les applications en fibre multimode. Les performances associées sont moindres mais permettent d’utiliser des équipements moins onéreux.

Outre la préparation des fibres optiques qui nécessite l’acquisition d’une méthodologie, la connaissance du principe de fonctionnement de la soudeuse permet d’optimiser les soudures (limitation des pertes associées), de limiter les temps d’intervention et de faciliter la maintenance de cet équipement. En effet, cet instrument de précision mécanique nécessite une maintenance préventive qui, si elle est régulière, permet de limiter les coûts de SAV et augmente la durée de vie de l’appareil. 84

L’épissurage mécanique L’épissurage mécanique désigne un alignement des gaines de deux fibres optiques non connectorisées, avec un maintien en position. Cette technique est rarement utilisée sauf quelques cas, en maintenance. Outre les outils de préparation de câble, cette technique nécessite une cliveuse et une épissure mécanique. L’épissurage mécanique s’adapte à tous les types de fibre optique (monomode et multimode).

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Sens d’insertion de la fibre

Epissure mécanique

Bout de fibre 86

Férule pré-fibrée

Férule pour fibre optique

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Recommandations pour l’épissurage mécanique  Le collage de la fibre dans la férule et de la férule dans la partie interne

de la fiche doit être extrêmement fiable.  Ceci nécessite un collage et un ajustage très précis. Le ressort spiralé

qui sert à comprimer la férule sur celle de la fiche accouplée doit aussi respecter des contraintes très sévères.  La tension appliquée doit rester stable dans le temps, la force exercée

sur la férule devant être aux alentours de 10 N.

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Les coupleurs

89

Les mesures de qualité

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Le Power meter Après avoir installé une liaison en fibre optique, il convient de mesurer la perte induite par la fibre elle-même et par les connexions effectuées. Le Power meter constitué d'une paire calibrée d'émetteur-récepteur de lumière, permet de mesurer la totalité de la perte de la ligne en [dB]. On mesurera la perte à la longueur d'onde utilisée en exploitation (850 ou 1300nM). Le Power meter ne donne que la perte globale de la liaison; le Réflectomètre indique où se trouve la connexion défectueuse.

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Le Réflectometre Principe du réflectométrie ODTR Remarque : Une fraction de la puissance optique incidente excite localement la matière qui rayonne la même puissance dans toutes les directions. (Diffusion de Rayleigh). Ainsi une partie (faible) de la puissance émise par la source de lumière est rétrodiffusée vers la source. Cette puissance a pour expression : Prd = K.Po.e-2.α.L • • • • •

Prd : représente la puissance reçue à l'origine de la fibre; K : est une constante qui dépend de l'ouverture numérique de la fibre et de l'indice optique; Po : représente la puissance de la source de lumière; α : représente l'atténuation linéique de la fibre; L : représente la distance du lieu d'origine.

(Le facteur 2 permet de tenir compte du trajet aller-retour de l'onde lumineuse)

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A l'entrée d'une fibre, on injecte une impulsion lumineuse à l'aide d'une diode Laser. Une photodiode PIN permet de récupérer la fraction de la puissance rétrodiffusée Prd due à la diffusion de Rayleigh. Dès que l'impulsion traversera le milieu d'indice n1 (lieu du défaut) s'ajoutera à cette puissance rétrodiffusée la puissance réfléchie Pr. Le réflectomètre est muni d'un écran qui affiche la courbe correspondant à la puissance reçue par la diode PIN en fonction de la distance à l'origine. Le niveau reçu par la diode PIN décroît de façon exponentielle en fonction de la distance, un défaut se traduira par pic de puissance et en fonction du temps de propagation, on peut en déduire la distance qui sépare l'origine du lieu de défaut. 93

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Paramètres de réglage du réflectomètre • Largeur d'impulsion  Une grande largeur d'impulsion offre une grande dynamique (longueur mesurable élevée) mais une faible résolution, elle permet la détection de défauts lointains;  Une faible largeur d'impulsion permet une grande résolution mais avec une faible dynamique, elle est plus adaptée à la mesure de pertes;  Valeurs typiques : de 5nS à 10μS. •

Indice de réfraction

Le réflectomètre calcule toutes les distances par rapport au temps écoulé depuis le départ de l'impulsion, comme L = C.t/n toute variation sur l'indice entraîne une variation inversement proportionnelle à la distance calculée.

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Mise en service d'une liaison et maintenance Le réflectomètre permet de mesurer l'atténuation de la liaison, de repérer les différents défauts présents lors de la mise en service. (mauvaise jonction, contrainte,...) Il est courant de mémoriser la réflexion comme la "signature de liaison" lors de la recette de l'installation. La courbe peut être imprimée ou stockée sur un ordinateur pour ensuite être utilisée pour vérifier la performance de liaison par fibre soit périodiquement, soit en continu. (en utilisant un système d'alarme)

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Exemple de reflectomètre : Anritsu MW9076

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Exemple de fenêtre observée sur le réflectomètre

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Caractéristiques principales : 

Dynamique du signal : 45dB, permet de mesurer des défauts situés à une distance de 190km.;



Temps de réponse rapide, 10 s pour une distance de 190km;



Longueurs d'onde: 1310, 1450, 1550, 1625nm;



Mesure des pertes de Fresnel (Le passage d'un milieu d'indice n1 à un milieu d'indice n2 se traduit toujours par une perte de flux);



Mesure des caractéristiques de dispersion chromatique;



Émission à 635nm (rouge visible) pour vérifier visuellement la continuité d'une fibre de courte longueur.

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Le Radiomètre La fonction principale du radiomètre est d’afficher la puissance incidente reçue par la photodiode. MESURES D’AFFAIBLISSEMENT La mesure d ’affaiblissement en puissance d’une liaison complète ou d ’éléments tels que tronçons de fibre, connexions, composants optiques, nécessite une source de lumière calibrée et un radiomètre. Elle est en général déduite de la mesure de la puissance optique en deux points : Affaiblissement A (dB) = P1 (dBm) - P2 (dBm) Important : Pour réaliser des mesures précises les conditions suivantes sont indispensables :  utiliser une source de lumière calibrée et stable dans le temps et en fonction de la température ,  veiller à la grande propreté de la connectique, des fibres et de la cellule de réception,  utiliser un cordon de référence entre la source laser et le dispositif sous test. Pour effectuer plusieurs mesures dans les mêmes conditions d’injection de lumière, il ne faut pas déconnecter cette fibre de référence pendant la période de mesure. En multimode, on veillera à ce que la longueur de ce cordon (500 m minimum) garantisse un équilibrage des modes. Deux méthodes sont utilisées pour mesurer l ’affaiblissement d ’une fibre optique : · la méthode de la fibre coupée, · la méthode de la mesure de perte d ’insertion. Méthode de la fibre coupée 1. La puissance P1 à la sortie de la fibre sous test est mesurée, puis la fibre est coupée à environ 2 mètres de l’extrémité côté source. 2. La puissance P2 à la sortie du tronçon de fibre de 2 m est mesurée et sert de référence. L ’affaiblissement de la fibre testée est : P1 - P2. Cette méthode est très précise mais elle est peu utilisée du fait de son caractère destructif. Elle ne peut pas être utilisée en maintenance ou en installation, mais uniquement lors de la production de fibre.

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Technique de mesure de l’affaiblissement d’insertion 1. Le radiomètre est d’abord connecté à la source laser via la fibre de référence : P1 est mesurée. 2. Puis la fibre à tester est insérée entre la fibre référence et le radiomètre : P2 est mesurée. La différence entre P2 et P1 donne l’affaiblissement de la fibre sous test. Il est préférable d ’utiliser le même type de connecteur aux extrémités de la fibre testée, pour avoir les mêmes conditions de connexion entre les mesures de P1 et P2. Bien que moins précise que la précédente, cette méthode est la seule utilisée sur site car elle est non destructive. MESURES DE PUISSANCE La mesure de puissance émise ou reçue nécessite seulement un radiomètre : · pour mesurer la puissance émise, connecter le radiomètre directement à la sortie de l’émetteur optique. · pour mesurer la puissance à l’entrée d ’un récepteur optique, le radiomètre est connecté à l’extrémité de la fibre, au point où sera connecté le récepteur optique. 101

EXERCICES

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1. Citez les méthodes de raccordement de la fibre

optique.

2. A quel type de fibre sont destines les deux modèles

d’alignement suivants lors du soudage d’une fibre optique? • •

Alignement cœur a cœur Alignement gaine a gaine

3. Quelle mesure effectue un Power meter? 4. Dessiner un schéma typique d’utilisation d’un

réflectomètre.

5. Citer les avantages et les inconvénients des choix

portés sur la largeur d’impulsion, lors d’une mesure effectuée par un réflectomètre.

6. Quelle est la fonction principale du radio mètre? 103

Pose du câble fibre optique

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Le choix d’un câble optique (et notamment sa structure) doit être fait en fonction de son environnement une fois mis en place, mais aussi des méthodes de pose que l’on désire utiliser. Les techniques de pose utilisées peuvent être :  le déroulage,  la pose et le tirage manuel,  le tirage au treuil,  le soufflage,  le portage à air.  flottage (eau) Dévidage du touret. Les spires de câble ne seront jamais extraites par le coté du touret. Pour dévider un touret celui-ci sera placé sur un axe ou posé sur des galets (dérouleur de câble) en rapport avec son poids. Le déroulage du câble se fera à partir des spires extérieures, en tirant le câble avec une force très faible, pour ceci on aidera la rotation du touret en utilisant les cotés de ce dernier. Pendant cette opération on veillera à ce que le câble ne subisse aucune contrainte. Lors de la pose, on veillera à ce que les efforts de traction ne soient en aucune façon appliqués aux fibres. Pour le tirage en conduit, on pourra diminuer la force nécessaire en utilisant des lubrifiants conçus pour cet usage. La pose et le tirage manuel. Les opérations manuelles sont encore les plus courantes dans les câblages d’immeubles et de petits ou moyens campus. La pose est généralement préférée au tirage. La force humaine est limitée mais il convient néanmoins d’en faire un usage modéré en matière de tirage de câbles. Les « à-coups » sont à proscrire. Les caractéristiques mécaniques des câbles sont en général supérieures à celles requises pour les opérations manuelles, mais les efforts additionnés (rayon de courbure + force de traction, torsion + force de traction …) peuvent engendrer des dégradations. 105

LES CONTRAINTES APPLIQUEES AU CABLE Les principales contraintes subies par un câble lors des opérations de pose sont:  la traction,  la torsion ou le vrillage,  le pliage (faible rayon de courbure),  l’écrasement,  les contraintes climatiques. Les opérations de mise en œuvre peuvent être séquencées ainsi : établissement d’un plan de pose, transport et stockage des composants, pose et installation des câbles, raccordement des câbles. 106

La traction La résistance d’un câble à la traction dépend de sa structure. L'effort de traction exercé sur le câble dépend bien entendu du type de pose. La force de traction maximale admissible par le câble est indiquée par le fabricant. La torsion ou le vrillage Lors de la pose, on veillera à ce que le câble ne subisse pas de torsion. Les inscriptions sur la gaine pourront servir de témoin. Pour le tirage au treuil, il sera utile d’accrocher le câble à la cablette à l’aide d’un émerillon. Si un entraîneur intermédiaire est utilisé, on vérifiera qu’il n’induit pas d’effort de torsion sur le câble.

Le pliage (faible rayon de courbure) Les valeurs fixées par le constructeur permettent de garantir un niveau minimum de contrainte sur les fibres. Il faut veiller, lors de la réalisation de "love" au sol ou en chambre de tirage, à dévider les spires de câble par rotation du touret, soit en utilisant un dérouleur de câble, soit en faisant rouler le touret. Dans le cas de pose en conduite extérieure, les équipements ad-hoc (poulies de renvoi, galets de guidage, gouttières de protection,…) seront utilisés afin de limiter les rayons de courbure des câbles et également afin de réduire le frottement sur des angles vifs. L’écrasement Pendant les opérations de pose, on apportera un soin particulier au « stockage intermédiaire » des câbles. Lorsqu’il sera nécessaire de mettre un câble en attente, sans que ce dernier soit protégé, un balisage approprié sera utilisé pour éviter qu’il ne soit écrasé par des objets, des personnes ou des véhicules. Les contraintes climatiques Les températures de pose seront typiquement limitées entre 0°C et 45°C (voir fiche technique du fabricant).

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LES ENVIRONNEMENTS DE POSE Pose de câble en aérien. Que le câble soit de type auto-porté ou ligaturé sur support, les règles de l’Art en la matière devront être respectées, pour que les contraintes (traction, cisaillement…) supportées par le câble restent dans les limites acceptables. Pour la pose en aérien, les caractéristiques critiques des câbles sont : · la résistance à la traction, · la compatibilité avec les systèmes d’ancrage et de suspension. Pose de câble enterré. On rencontre deux types de techniques : · pose de câble en tranchée ouverte, · pose de câble derrière trancheuse ou soc (cette dernière est très rarement rencontrée en LAN). Les règles de l’Art en la matière devront être respectées. (Nivelage et granulométrie des fouilles autour des câbles, profondeurs d’enfouissement, règles de proximité des ouvrages, dispositifs avertisseurs). Dans tous les cas, le câble devra avoir été conçu spécifiquement pour cet usage. En ce qui concerne le cas des câbles purement diélectriques, la question de la localisation ultérieure du câble devra être abordée. Pour la pose par enfouissement direct, les caractéristiques critiques des câbles sont : · la résistance à l’écrasement, · la résistance au cisaillement. 108

Pose en caniveau. Sauf pour de très courtes longueurs, elle se fera en déplaçant le touret le long du caniveau, en laissant le câble se dérouler sans torsion. La vitesse de déroulement sera lente et surtout maîtrisée. Les caractéristiques critiques des câbles sont les mêmes que pour les câbles enterrés. Pose sur chemin de câbles. C’est la plus courante dans les environnements LAN. Comme pour la pose en caniveaux, pour de grandes longueurs elle se fera en déplaçant le touret le long du chemin de câbles, en laissant le câble se dérouler sans torsion. Pour des distances courtes (100 m), on pourra envisager de tirer le câble, touret sur un axe, se déroulant à vitesse lente et maîtrisée, en le soulageant de part en part, à la main ou avec des systèmes à galets. Les précautions suivantes seront observées : · limitation du rayon de courbure minimum, · limitation de la torsion, · immobilisation des câbles par colliers adaptés à la résistance à l’écrasement des câbles. Les transitions de zone (pénétration de bâtiment, transition sous conduite, etc.) devront également faire l’objet de mentions particulières dans les documents de spécification Pour les longues distances les câbles seront installés dans les fourreaux, soit en utilisant des techniques de tirage traditionnelles soit en utilisant des techniques de soufflage ou flottage. 109

POSE DE CABLES AU TREUIL Elle se pratique de moins en moins. Les méthodes de soufflage ou de flottage remplacent progressivement l’utilisation des treuils sur ce type de réseaux. Une telle opération devra être menée et contrôlée pour limiter les contraintes, dans des conditions compatibles avec les caractéristiques du câble :  l’effort dit en continu, c’est à dire l’effort de traction exercé en tête de câble pendant l’opération,  l’effort de décollage, c’est à dire l’effort maximal exercé au démarrage ou à la reprise de l’opération de tirage.  l’effort de traction pour les câbles à fibres optiques est généralement de 220 daN en continu et 270 daN en reprise. Recommandation pour le tirage de longueurs de 0 et 900 m Utiliser obligatoirement un treuil équipé d’un système enregistrant les forces de traction et limitant les seuils à ne pas dépasser. Recommandation pour le tirage de longueurs supérieures à 900 m Utiliser obligatoirement un treuil équipé d’un système enregistrant les forces de traction et limitant les seuils à ne pas dépasser. Pose d’entraîneurs mécaniques intermédiaires dès que la valeur de traction risque d’être dépassée. Recommandation pour le tirage dit "boucle de tampon" Cette méthode sécurise le tirage des câbles de grande longueur (> 900 m) et supprime les problèmes de synchronisation. Dans une chambre intermédiaire, à l’aide d’un entraîneur, le câble sort à l’extérieur et fait une boucle afin de reprendre la conduite suivante. Il est nécessaire de disposer d’un système de guidage et d’un limiteur de force au niveau de cet entraîneur.

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POSE DU CABLE PAR « SOUFFLAGE – TIRAGE » Cette méthode aussi appelée "push-pull" consiste à pousser le câble mécaniquement tout en le tirant par la tête à l'aide d'un furet étanche poussé par de l'air comprimé.

Même si l'expérience a démontré qu'elle était moins performante et moins fiable que le soufflage, cette méthode est toujours pratiquée aujourd'hui. Cette méthode est toujours fondée sur la traction du câble par sa tête et ne fait qu’atténuer les inconvénients dus à la friction du câble contre le fourreau grâce à la poussée mécanique au départ. Cette technique ne s’applique pas sur les tracés particulièrement sinueux ; le système reste limité au maximum de traction toléré par le câble et au maximum de pression d'air admissible dans la gaine. Pour que cette technique apporte les gains espérés, il est souhaitable que l’on puisse raccorder les éléments de conduit entre eux en assurant une étanchéité. Pour cela les conduits ne seront jamais coupés au ras des chambres de tirage.

111

Par rapport au soufflage: les exigences portant sur les fourreaux sont les mêmes.  L'étanchéité reste de mise,  le lubrifiant devra être du même type que pour la traction et sera

utilisé en quantité bien plus importante,

 le compresseur pourra être de capacité (débit) inférieure, mais de

pression identique (12 bars),

 le besoin de refroidissement de l'air comprimé subsiste,  ne s’applique pas dans les conduites d’un diamètre inférieur à 30 mm

intérieur.

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POSE DU CABLE PAR SOUFFLAGE (AIR) C’est sans doute la méthode la plus pratiquée de par le monde aujourd'hui. Le câble est toujours poussé mécaniquement, mais contrairement à la méthode précédente, il n'est pas tiré par la tête à l'aide d'un furet, mais entraîné par un très fort courant d'air qui passe à grande vitesse le long du câble et qui par sa viscosité l'agrippe sur l'ensemble de sa surface pour le tirer à l'intérieur du fourreau. Cette méthode est de loin la moins contraignante pour le câble qui n'est exposé qu'à de très faibles tractions. C’est sûrement, avec le "flottage", la méthode qui assure la plus grande sécurité pour le câble. 113

Précautions à prendre pendant la mise en place Lors de la pose du fourreau d'une chambre de dérivation à l'autre, il est impératif que les fourreaux dépassent les murs des chambres d'au moins 15 à 20 cm, afin de pouvoir y connecter les appareils. Avant la pose d'un câble, il y a lieu de s'assurer que le fourreau est propre et vide de toute eau. Cela se fait par envoi de tampons de mousse à l'aide d'air comprimé. Il est utile de rappeler ici que :  la méthode de pose par soufflage à l’air permet l'usage de plusieurs appareils en

cascade (série) permettant la pose de câbles longs (>12 km) en une seule opération.  les accessoires de réserve de lovage permettent d'envoyer, depuis un point intermédiaire du

tracé, un câble d'abord en partie dans une direction, le reste ensuite dans l'autre direction. Ces appareils de stockage intermédiaire suppriment la dépose en 8 sur le sol. Le câble ne se salit plus, est stocké rapidement sur un espace très restreint et, surtout, n'est plus manipulé à la main.  Il est toujours préférable d'envoyer un câble dans le sens général de la descente.

Les constructeurs d’appareillage commercialisent des programmes de simulation, permettant d’optimiser préalablement la solution pour la pose. 114

POSE DU CABLE PAR FLOTTAGE (EAU) Cette méthode est identique à celle du soufflage ; seul le médium change, l’eau remplace l'air. Les performances obtenues grâce à cette technique sont supérieures à celles du soufflage. Avantages de la méthode  Elle rend possible de plus longues portées, jusqu'à 3, voire 4 fois celles réalisables par le soufflage.  Elle ne génère par ailleurs pas d'échauffement exagéré dû au compresseur.  Lors de la pose d'un 2ème, voire 3ème câble, les performances du flottage sont nettement supérieures à celle du soufflage. Inconvénients de la méthode  Il est nécessaire d’amener l'eau (environ 0,5-1,5 litres par mètre courant de gaine).  Le poids spécifique du câble doit être voisin de celui de l'eau. Lorsqu'il s'en éloigne trop, les frictions, soit sur le haut du fourreau, soit sur le bas, diminuent très sérieusement les performances de la méthode.  Pour le reste, les exigences de la méthode sont très semblables à celles du soufflage. 115

Protection de la fibre optique

116

CHOIX DES ÉLÉMENTS DE PROTECTIONS ET DES RENFORTS PÉRIPHÉRIQUES Différentes caractéristiques doivent être étudiées pour décider du choix final d’un câble. STRUCTURE : En premier lieu, il est important de savoir si une structure diélectrique est imposée ou si la présence de métal est tolérée ou tolérable. Pour des raisons de sécurité vis à vis de phénomènes tels que la foudre ou la transmission de pics de tension par des câbles de puissance juxtaposés, les structures diélectriques sont souvent conseillées en extérieur. Les structures métalliques sont souvent préférées pour des protections renforcées : anti-rongeurs, résistance à l’écrasement ….. Il faut savoir que les tests réalisés en environnement réel montrent que l’armure acier n’empêche pas totalement la dégradation par les rongeurs. Le diamètre du câble est un élément important pour la protection anti-rongeurs. Ce sont en effet les câbles de gros diamètre qui résistent le mieux aux rongeurs, quelle que soit leur armure. L’armure fibre de verre est légèrement moins efficace que l’armure acier qui demeure à ce jour la solution technicoéconomique optimale en environnement très exposé aux rongeurs. ETANCHÉITÉ L’étanchéité d’un câble doit être vérifiée suivant deux caractéristiques :  l’étanchéité transversale qui est garantie par une gaine extérieure étanche,  l’étanchéité longitudinale : Une « blessure » sur la gaine extérieure ou une extrémité en milieu humide ne doivent pas engendrer de propagation d’un liquide dans le câble . La propagation du liquide doit être évitée que ce soit dans la structure même du câble (propagation via le renfort périphérique) ou propagation dans le tube central. Il est primordial que la structure du câble soit étanche à tous ses niveaux de fabrication 117

Il faut s’assurer que tous les éléments constitutifs du câble offrent une solution de «barrière » hydrophobe.

microtube contenant du gel ruban hydrogonflant tube élémentaire Étanche fibre de verre avec filin Hydrogonflant ruban et filin hydrogonflant armure Acier gaine PEHD (polyéthylène haute densité) 118

PROTECTION AU FEU : La « tenue » au feu est imposée dans les bâtiments. Il s’agit notamment de garantir le non dégagement de substances halogénées en cas d’incendie. La seule caractéristique ZH (Zéro Halogène) ou LSOH (Low Smoke Zero Halogene) n’est pas suffisante pour juger de la tenue au feu d’un câble. La non propagation de la flamme et/ou de l’incendie est une caractéristique qu’il ne faut pas oublier. NON PROPAGATION DE LA FLAMME (FLAME RETARDANT) : L’essai est réalisé sur un câble posé verticalement et soumis à une flamme à son extrémité inférieure. NON PROPAGATION DE L’INCENDIE (FIRE RETARDANT): Les essais suivant comportent trois catégories d’essais (A – B – C).

Catégorie

Volume de matériau par mètre de câble (litre / m)

Durée d’application de la flamme (en minutes)

A

7

40

B

3.5

40

C

1.5

20

L’essai est satisfaisant si la partie des échantillons de câble carbonisé n’atteint pas une hauteur supérieure à 2.50 m audessus du brûleur. 119

NORMES D’ÉMISSION DE FUMÉES : On soumet les matériaux à un rayonnement thermique avec ou sans flammes. La vitesse d’obscurcissement des fumées est alors mesurée. NORMES D’ÉMISSIO N DE GAZ TOXIQUES : Les essais visent à déterminer la quantité de gaz toxiques dégagés par la combustion des matériaux isolants et/ou de gainage. NORMES D’ÉMISSION DE GAZ CORROSIFS : Les essais déterminent l’acidité et la conductivité des gaz dégagés par la combustion des matériaux de gainage ou d’isolement. LOW SMOKE ZERO HALOGEN (LSOH) : Cette norme précise les propriétés des matériaux utilisés pour l’isolation ou le gainage de câbles de télécommunication. Toute installation intérieure doit utiliser des câbles certifiés ZH ou LSOH par le fabricant. MARQUAGE : Le marquage sur le câble doit contenir un certain nombre d’informations : Le nom du fabricant, l’année de fabrication, la contenance et le type de fibres. CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT : Les conditions de fonctionnement ainsi que les normes de sécurité doivent être respectées. Une température de fonctionnement de –20 à +60°C est suffisante dans les contrées tempérées. 120

Normalisation de la fibre optique

121

L’ÉVOLUTION DES RÉSEAUX LAN 1983

Adoption par l’IEEE du premier standard Ethernet 10Base5

1985

Apparition des premiers câblages structurés – offres « propriétaires »

1990

Adoption par l’IEEE du standard Ethernet 10BaseT

10 Mbit/s sur paire torsadée

1993

Adoption par l’IEEE du standard Ethernet 10BaseF

10 Mbit/s sur fibre multimode

1995

Adoption par l’ISO du standard 11801 concernant les câblages structurés

1995

Adoption par l’IEEE des standards Ethernet 100BaseTX et 100BaseFX Adoption par l’IEEE des standards Ethernet 1000BaseSX et 1000BaseLX

100 Mbit/s sur paire torsadée et fibre multimode

2000

Adoption par l’IEEE du standard Ethernet 1000BaseTX

1 Gbit/s sur paire torsadée

2001

Apparition des premiers produits « 10 Gbit/s » basés sur des interfaces « télécoms » STM64

10 Gbit/s sur fibre monomode

2002

Finalisation et vote espérés sur le standard Ethernet 10 Gbit/s

10 Gbit/s sur fibre multimode et monomode

2010

IEEE 802.3ba

40 Gb/s pour la paire torsadée et 100 Gb/s pour la fibre

1998

122

10 Mbit/s sur câble coaxial

1 Gbit/s sur fibre multimode et monomode

Normes des réseaux fibre optique

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LA NORME GIGABIT ETHERNET L’IEEE a normalisé le Gigabit Ethernet sur fibre multimode et monomode. On distingue le 1000Base-SX (Short wave length) et le 1000Base-LX (Long wave length). Le premier est supporté par la fibre multimode avec un émetteur travaillant dans la première fenêtre (850 nm). Le deuxième est supporté à la fois par la fibre multimode et monomode avec des émetteurs travaillant dans la seconde fenêtre (1300 nm).

124

1000BASE-X Le débit en ligne de l’interface est donc de 1,250 Gbit/s pour assurer un débit utile de 1 Gbit/s. La limitation en bande passante des émetteurs de type LED a conduit à retenir, dans les deux fenêtres de transmission, des émetteurs de type lasers (VCSEL –Vertical Cavity Surface Emitting Laser à 850 nm et Lasers à 1310 nm) pour transmettre ce débit de ligne. Type de connecteurs Les connecteurs retenus par l’IEEE pour les interfaces 1000Base-SX et le 1000Base-LX sont de type SC duplex. Des implémentations « constructeurs » existent également à base de connectique plus compacte telle que MT-RJ, SG (également dénommé VF45) ou LC. Elles permettent de densifier le nombre de ports optiques sur une même carte électronique. 1000BASE-SX Cette interface a été définie pour être supportée par de la fibre multimode et fonctionne à 850 nm. La principale limitation provient de la bande passante de la fibre et la distance couverte, selon le type de fibre, dépend directement de ce paramètre.

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Paramètre

Unité

Multimode 62,5/125 µm

Multimode 50/125 µm

Bande Passante à 850 nm (2 )

MHz.km

160

200

400

500

Distance maximale couverte (3)

m

220

275

500

550

Mono mode NA NA

1000BASE-LX Cette interface a été définie pour être supportée par de la fibre multimode et monomode et fonctionne à 1310 nm. La principale limitation provient ici encore de la bande passante de la fibre et la distance couverte, selon le type de fibre, dépend directement de ce paramètre.

126

Ethernet 10 gigabit par seconde Le standard Ethernet 10 Gigabits entoure sept types de média différents pour les réseaux locaux, réseaux métropolitains et réseaux étendus. Il est spécifié par un standard supplémentaire, l'IEEE 802.3ae dont la première publication date de 2002. 10GBASE-SR (850 nm MM, 300 mètres, dark fiber) -- créé pour supporter de courtes distances sur de la fibre optique multimode, il a une portée de 26 à 82 mètres, en fonction du type de câble. Il supporte aussi les distances jusqu'à 300 m sur la fibre multimode 2 000 MHz. 10GBASE-LX4 -- utilise le multiplexage par division de longueur d'onde pour supporter des distances entre 240 et 300 mètres sur fibre multimode. 10GBASE-LR (1 310 nm SM, 10 km, dark fiber) et 10GBASE-ER (1 550 nm SM, 40 km, dark fiber) -- Ces standards supportent jusqu'à 10 et 40 km respectivement, sur fibre monomode. 10GBASE-SW (850 nm MM, 300 mètres, SONET), 10GBASE-LW (1 310 nm SM, 10 km, SONET) et 10GBASE-EW (1 550 nm SM, 40 km, SONET). 127

la norme IEEE 802.3ba L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) vient de publier la norme IEEE 802.3ba qui spécifie les caractéristiques techniques des réseaux Ethernet fonctionnant à 40 et 100 Gigabits par seconde (Gb/s). Compatible avec les versions précédentes (et donc les équipements déjà déployés) qui fonctionnent à 1 et 10 Gb/s, l'Ethernet à 40 ou 100 Gb/s va permettre aux opérateurs d'infrastructures de communication et aux grandes entreprises de faire passer plus de données dans leurs réseaux existants. L'Ethernet à 40 ou 100 Gb/s permettra également de répondre à la demande croissante de bande passante pour les applications distantes, hébergées en mode cloud computing et SaaS (Software as a Service). Les datacenters qui hébergent des milliers de serveurs ont en effet besoin d'une très grosse bande passante internet (WAN) pour supporter les connexions des utilisateurs. En interne (LAN), la densification liée à la virtualisation impose également de disposer de bus de communications véloces, par exemple pour connecter une baie (jusqu'à plusieurs milliers de serveurs virtuels) aux autres composants techniques : réseau, stockage, etc. Techniquement, outre sa compatibilité avec les équipements existants, 802.3ba est le premier standard de l'histoire à gérer simultanément deux vitesses de transmission. Le protocole à 40 Gb/s est destiné aux réseaux filaires (câblés) et celui à 100 Gb/s aux réseaux de fibres optiques. Le support de deux vitesses de transmission sur deux types de réseaux physiques différents va permettre d'abaisser les coûts d'exploitation en homogénéisant la gestion des transferts de données de bout en bout : du dernier kilomètre jusqu'au cœur du réseau. 128

Normalisation de la fibre optique OS1

OM1

OM2

OM3

OM4

Multimode/mono mode

monomode

multimode

multimode

multimode

multimode

diamètre de la fibre

9/125μ

62,5/125μ

50/125μ

50/125μ

50/125μ

Domaine d'applic ation principal

Déport très Déport longue distance Déport longue distance Déport moyenne longue distance vidéosurveillance vidéosurveillance distance réseau Gigabit (vidéosurveillance (inférieur à 4 km) (inférieur à 4 km) et Datacenter et réseau) et réseau et réseau

Type de signal IP 10/100/1000Mbps le plus courant 10Gb Mbp/s

100 Mb/s

100Mb/s et 1Gb/s

10Gb/s

Datacenter

10Gb/s 129

EXERCICES

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1. 2.

Quels sont les 2 éléments essentiels qui ont permis le développement de la fibre optique tel que nous la connaissons aujourd’hui? Que peut on dire des ondes qui constituent un laser?

3.

Comment doit être l’indice de réfraction du cœur de la fibre par rapport à celui de la gaine?

4.

Quel équipement pourrait servir à relier un tiroir optique et un Switch disposant d’une connexion fibre optique?

5.

Quelle est la différence entre une fibre monomode et une fibre multimode?

6.

Mettez les opération de sertissage suivantes dans l’ordre d’exécution: Polissage, sertissage, coupe de la fibre, nettoyage de la fibre, dégainnage de la fibre, insertion du connecteur avant, insertion du connecteur arrière.

7.

Dessinez le graphe typique qu’on obtient à l’écran d’un réflectomètre après le contrôle d’une liaison.

8.

Quelles sont les principales contraintes subies par un câble lors des opérations de pose?

9.

Quels types de fibre sont utilisés par la norme 1000 base SX et 1000 base LX

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